Onderzoek van het Lawrence Berkeley National Laboratory toont aan dat fotokatalytische oxidatie (PCO) de VOC’s binnenshuis vermindert, maar formaldehyde als bijproduct zou kunnen produceren.
Een veelbelovende nieuwe technologie voor de vermindering van vluchtige organische stoffen (VOS) in het binnenmilieu is fotokatalytische oxidatie (PCO). Bij dit proces wordt ultraviolet licht blootgesteld aan een katalysator zoals titaniumdioxide om hoofdzakelijk hydroxylradicalen (OH) te produceren. Deze hydroxylradicalen zijn uiterst reactief en kunnen typische VOC’s in het binnenmilieu oxideren of “afbreken”. Het doel van deze studie, uitgevoerd door A.T. Hodgson, D.P. Sullivan en W.J. Fisk getiteld “Evaluation of ultraviolet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (LBNL-58936) was om te bepalen of dit proces zou kunnen worden gebruikt om VOC’s binnenshuis in die mate te verminderen dat “aanvaardbare kwaliteit van de binnenlucht in kantoorgebouwen zou kunnen worden bereikt met minder energie door effectieve luchtreinigingssystemen voor VOC’s te combineren met deeltjesfiltratie dan door alleen te vertrouwen op ventilatie.”
De onderzoekers wijzen erop dat de meeste onderzoeken naar deze technologie zijn uitgevoerd in laboratoriumomgevingen. De grote meerderheid van deze onderzoeken heeft relatief grote concentraties van slechts enkele VOC’s gebruikt, hoofdzakelijk om het PCO-proces beter te begrijpen. Deze studie werd ontworpen om lage VOC-concentraties te simuleren die in reële binnenomgevingen zouden worden aangetroffen.
Theoretisch zullen alle VOC’s worden afgebroken tot koolstofdioxide en water. In vele gevallen echter verlopen de reacties om deze eindtoestand te bereiken in talrijke fasen, kunnen zij complex zijn en kunnen zij vrij stabiele tussenproducten opleveren. De vraag is of het fotokatalytische oxidatieproces snel en volledig genoeg kan reageren met VOS om ze te neutraliseren en geen schadelijke VOS te creëren als onbedoelde bijproducten.
Om dit te testen creëerden de onderzoekers drie uitdagende VOS-mengsels. Het ene was een combinatie van 27 VOC’s die gewoonlijk in kantoorgebouwen worden aangetroffen. Het tweede was een mengsel van drie veelgebruikte schoonmaakproducten – een schoonmaakmiddel op basis van dennenolie, een schoonmaakmiddel met 2-butoxyethanol, en een schoonmaakmiddel op basis van sinaasappelolie (d.w.z. d-limoneen). De derde bestond uit een mengsel van VOS die gewoonlijk worden uitgestoten door bouwproducten zoals geverfde muurplaten, composiethout, vloerbedekking en vinylvloeren. Luchtsnelheden en VOC-concentraties werden gevarieerd met elk mengsel om een totaal van negen experimenten te creëren. Metingen van de VOS-concentraties bij de inlaat en de VOS-concentraties bij de uitlaat werden verricht. Andere experimenten werden ook uitgevoerd met alleen een mengsel van formaldehyde en aceetaldehyde en het PCO-apparaat.
In het algemeen varieerde de efficiëntie van de omzetting van de uitdagings-VOS’s door het type VOS en de snelheid van de luchtstroom. Interessant is dat de concentratie van de VOC’s niet veel effect had. Hoewel de concentraties twee- of driemaal hoger werden, bleef de Clean Air Delivery Rate (CADR) ongeveer gelijk. Voor de VOS schoonmaakproducten varieerde de reactie-efficiëntie tussen 20% en 80%. Voor het VOS-mengsel van bouwproducten varieerde de reactie-efficiëntie van niet-significant tot maximaal 80%. De omzettingsefficiëntie van het aldehydemengsel varieerde tussen 18% en 49%. In het algemeen verliep de omzettingsefficiëntie in de volgende volgorde, waarbij alcoholen en glycolethers het meest effectief waren; vervolgens aldehyden, ketonen en terpeenkoolwaterstoffen; vervolgens aromatische en alkaankoolwaterstoffen; en tenslotte gehalogeneerde alifatische koolwaterstoffen. In het algemeen werden de omzettingspercentages zeer bemoedigend bevonden en de auteurs van de studie wijzen erop dat dit werd bereikt bij een zeer lage drukval, waardoor de stelling wordt ondersteund dat PCO’s tot energiebesparing zouden kunnen leiden.
Echter was er ook een negatieve uitkomst van deze experimenten. De onderzoekers stelden vast dat door onvolledige afbraak van de VOS in de inlaatluchtstroom er een nettoproductie was van formaldehyde, aceetaldehyde, mierenzuur en azijnzuur. Bijzonder zorgwekkend was dat de uitlaatconcentraties van formaldehyde en aceetaldehyde respectievelijk 3,4 en 4,6 maal zo hoog waren als de inlaatconcentraties. Zowel formaldehyde als aceetaldehyde worden erkend als belangrijke toxische stoffen binnenshuis. Formaldehyde is geclassificeerd als kankerverwekkend voor de mens. Overheidsrichtlijnen stellen voor om de concentraties van formaldehyde en acetaldehyde binnenshuis op een zeer laag niveau te houden.
Terwijl de VOC-blootstelling aan PCO apparaten formaldehyde en acetaldehyde creëert, worden deze verbindingen ook door het PCO apparaat afgebroken. De vraag is dan of dit al dan niet leidt tot een netto toename van deze verbindingen in een binnenmilieu. Met behulp van modellen op basis van de resultaten van de studie concluderen de auteurs dat de concentraties van formaldehyde en aceetaldehyde binnenshuis met een PCO in een kantoorgebouw ruwweg verdrievoudigen (afhankelijk van de concentraties en soorten VOS).
In hun conclusie stellen de onderzoekers dat de VOC-omzettingsefficiëntie met het PCO-apparaat weliswaar gunstig kan zijn voor de grootschalige behandeling van lucht in bezette gebouwen, maar dat de toename van formaldehyde en aceetaldehyde verder moet worden onderzocht en beter moet worden gekwantificeerd. Er moet worden gewerkt aan het verminderen van de productie van formaldehyde en aceetaldehyde of aan het combineren van de technologie met een soort gaswasser om de giftige bijproducten eruit te halen voordat ze weer in de ruimte worden gebracht.
Dit onderzoek gaat door, zoals blijkt uit de notulen van de vergadering van 7 februari 2007 van het Federal Interagency Committee on Indoor Air Quality. De vertegenwoordiger van het Department of Energy (de grootste sponsor van dit onderzoek) vatte de bovenstaande resultaten samen en verklaarde dat er wordt geëxperimenteerd met verschillende soorten sorptiemiddel-media-wassers stroomafwaarts van het PCO-apparaat. Uit de eerste resultaten blijkt dat een chemisorbens op basis van natriumpermanganaat een aanzienlijk potentieel heeft.
Een andere benadering is de verbetering van de produktiviteit van de reacties van de VOC’s en de hydroxylradicalen en andere ROS. De moeilijkheid hierbij is dat het onwaarschijnlijk is dat de reacties ooit totaal zullen zijn en geen bijproducten zullen opleveren. In dezelfde CIAQ-notulen werd erop gewezen dat alle 10 geteste VOC’s formaldehyde produceerden. Een andere kwestie is de luchtsnelheid en de blootstellingstijd in de buurt van de PCO. De tests die bij LBNL werden uitgevoerd, werden met twee snelheden uitgevoerd. Er werden aanzienlijke dalingen gezien in de percentages afgebroken VOC’s naarmate de snelheid werd opgevoerd. Dit is logisch, aangezien de VOC’s korter in de aanwezigheid van de ROS’en zijn. Wat dit lastig maakte was dat de “hoge” snelheid slechts 340 cfm was. De meeste residentiële systemen produceren minstens 1.000 cfm, terwijl commerciële systemen over het algemeen een snelheid hebben van 2.000 cfm. Bij deze hogere snelheden zou men zelfs lagere percentages reacties en hogere niveaus van bijproducten moeten veronderstellen, hoewel verder onderzoek zou moeten worden gedaan om dit te bevestigen.
Verder werk moet ook worden gedaan over het gebruik van Fotokatalytische Oxidatie (PCO) in gebieden waar men rokers heeft. De vermindering van waarneembare geuren voor huizen met rokers of plaatsen zoals bars en casino’s is zeer aantrekkelijk. Sigarettenrook bevat echter meer dan 1.000 verschillende chemische stoffen. Er is een gebrek aan goed onderzoek om te bepalen wat afkomstig is van de reacties met deze 1000 plus chemicaliën en de hydroxylradicalen en andere reactieve zuurstofsoorten (ROS) van de PCO-apparaten. Gezien de resultaten die we hebben gezien met sigarettenrook en ozon (een andere ROS) en de resultaten van de bovengenoemde gedetailleerde studie, is het een vrij veilige veronderstelling te maken dat formaldehyde een van de bijproducten is. Welke andere bijproducten, de niveaus van die bijproducten, en de mogelijke productie van ultrafijne deeltjes zijn allemaal onbeantwoorde vragen.
Wat dit voor mij illustreert is de complexiteit van binnenlucht en de gevaren van het maken van veronderstellingen over de uitkomsten van chemische reacties. Wat je wilt is vaak wat je niet krijgt. Hoewel de PCO-technologie veelbelovend is, is de jury er volgens mij nog niet uit of ze algemeen moet worden aanbevolen voor binnenruimten.